JP2007141779A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料極における燃料ガス圧力と酸化剤極における酸化剤ガス圧力との少なくとも一方の圧力が高い場合にも燃料電池のアイドルストップを可能とする。
【解決手段】燃料電池システム全体を制御するコントローラ４５は、アイドルストップ制御手段を兼ねる。コントローラ４５は、燃料ガス圧力条件以外のアイドルストップ条件が成立した場合、燃料極１ｂにおける燃料ガス圧力と酸化剤極１ａにおける酸化剤ガス圧力との少なくとも一方を所定の圧力以下に低下させる減圧操作を行う。この減圧操作は、燃料電池本体１からの電流取出操作、或いは水素排出弁２８を開いて燃料系から水素ガスを系外へ排出するパージ操作、或いは両者の併用により行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に移動体の動力源に好適なアイドルストップ性能を向上させた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

ところで、燃料電池の出力が小さい運転領域では、発電効率が低いために発電を停止して、二次電池やコンデンサ等の蓄電装置から電力供給するシステムがある。このシステムでは、燃料電池の発電効率が低い運転領域を回避し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。

例えば特許文献１に開示されている燃料電池自動車は、発電要求量が所定値以下であっても、アノード入口の水素圧力と大気圧との差圧が所定値以上である場合に、アイドルストップを禁止する条件を備えている。
特開２００４−１７３４５０号公報（第６頁、図３）

しかしながら上記従来例にあっては、高負荷、高運転圧力の発電状態からアクセルを放してブレーキ操作により車速が低下し、要求発電量が所定値以下となっても、アノードの水素圧力が低下が遅く、アノード圧力と大気圧との差圧条件が満足されないために、アイドルストップができず、燃費性能が低下したり音響振動特性が低下するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスを供給する燃料供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、燃料極に供給された前記燃料ガスと酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の低負荷時に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止させるアイドルストップ制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記アイドルストップ制御手段が前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止させる際に、前記燃料極における燃料ガス圧力と前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力との少なくとも一方を所定の圧力以下に低下させる減圧操作を行うことを要旨とする。

本発明によれば、燃料極における燃料ガス圧力と酸化剤極における酸化剤ガス圧力との少なくとも一方の圧力が高い場合にもアイドルストップすることができ、燃料電池システムの燃費性能を向上させるとともに、音響振動性能を向上させることができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下の各実施例は、燃料電池車両に本発明を適用した実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例の概要を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池本体１を備えている。燃料電池本体１は、図示しない電解質膜を酸化剤極（カソード）１ａと燃料極（アノード）１ｂで挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単セルのみ図示している。

燃料極１ｂには燃料として水素ガス、酸化剤極１ａには酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

燃料極（アノード） ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
酸化剤極（カソード）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
酸化剤としての空気は、酸化剤供給手段である空気コンプレッサ１１が圧縮した空気を空気供給経路１２を介して酸化剤極１ａへ供給される。空気供給経路１２上には空気系加湿装置１３と、空気圧力計１６が設けられ、酸化剤極１ａへ供給される空気を加湿する一方、空気圧力を検出してコントローラ４５へ送信する。酸化剤極出口には、空気排気経路１４と、空気調圧弁１５が設けられ、コントローラ４５が空気調圧弁１５の開度を制御することにより酸化剤極圧力が制御される。

燃料ガスとしての水素は、高圧水素タンク２１から水素供給経路２２を介して燃料極１ｂへ供給される。高圧水素タンク２１から供給される高圧水素は、水素調圧弁２３で所望の圧力まで減圧され、さらに水素系加湿装置２５で加湿されて燃料極１ｂへ供給される。燃料極入口の圧力は、水素圧力計２９で検出され、コントローラ４５へ送信される。

燃料極１ｂの出口から入口へ燃料極で消費されなかった水素ガスを循環させる水素循環経路２６と、水素循環ポンプ２４が設けられている。

燃料電池本体１の発電電圧は、電圧計４１により検出され、コントローラ４５へ送信される。また燃料電池本体１には、電流計４２を介して負荷装置４０が接続され、燃料電池の発電電力が負荷装置４０に供給される。また燃料電池システムは、蓄電装置としてのバッテリ４４と、これの充放電を制御するバッテリコントローラ４３を備える。バッテリコントローラ４３は、燃料電池本体１の発電電力が不足する場合、バッテリ４４から負荷装置４０へ放電させるとともに、燃料電池本体１の発電電力に余剰がある場合に、燃料電池本体１からバッテリ４４への充電を制御する。

また、バッテリコントローラ４３は、バッテリ４４の電圧及び充放電電流、さらに必要であればバッテリ温度等を検出し、これらの検出結果に基づいてバッテリ４４の蓄電量を検出または推定して、コントローラ４５へ送信する。

燃料電池本体１の運転温度を適度な値に保持するために、冷却水を循環させる冷却系が設けられている。冷却系は、冷却水を循環駆動する冷却水ポンプ３１、燃料電池本体１内の冷却水経路、冷却水温度計３４、冷却水の熱を系外へ放出する熱交換器３３、これらを接続する冷却水循環経路３２を備えている。

コントローラ４５は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。

酸化剤極１ａには、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜を透過して、燃料極１ｂ、水素循環経路２６及び水素循環ポンプ２４を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、水素循環ポンプ２４によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスを水素排出弁２８により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。

尚、図１では図示しないが、コントローラ４５には、車両速度を検出する車速センサ、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ、ブレーキ作動状態か否かを検出するブレーキスイッチ（ブレーキランプ点灯用信号と同じ信号）が接続されている。そして、これらのセンサから車速信号、アクセル操作量信号、ブレーキ作動状態信号がそれぞれコントローラ４５へ入力される。

本実施例では、コントローラ４５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ４５は、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池の低負荷時に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を一時停止させるアイドルストップ制御手段である。

また、コントローラ４５は、燃料電池の低負荷を検出した場合、水素調圧弁２３を閉止して水素ガス供給を停止し、燃料電池本体１からの電流取り出しを指示するか或いは水素排出弁２８を開いて、燃料極１ｂの圧力を所定圧力以下に低下させる減圧操作を行う。

図２は、図１の燃料電池本体１を構成する単セルの模式断面図である。燃料電池単セル１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１と、セパレータ１０７，１０８とで構成されている。ＭＥＡ１０１は、水素イオンを伝導し電子を伝導させない電解質膜１０２と、電解質膜１０２の両面に形成されそれぞれ白金等の触媒微粒子を炭素等に担持した燃料極触媒層１０３及び酸化剤極触媒層１０４と、それぞれ導電性多孔質で形成された燃料極ガス拡散層１０５及び酸化剤極ガス拡散層１０６とを備えている。

燃料極側のセパレータ１０７には、燃料ガス流路１０９が形成され、燃料ガスとしての水素が供給される。酸化剤極側のセパレータ１０８には、酸化剤ガス流路１１０が形成され、酸化剤ガスとしての空気が供給される。水素と、空気中の酸素とは、上記式（１）、（２）の電気化学反応を起こして発電する。

次に、図３の制御フローチャートを参照して、実施例１におけるコントローラ４５の作用について説明する。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）０１において、コントローラ４５は、車両状態及び燃料電池システムの状態を読み込む。これらの状態には、車速センサが検出した車速、アクセルセンサが検出したアクセル操作量（アクセル開度）、ブレーキ操作状態か否かを示すブレーキスイッチ、燃料電池に対する要求出力、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力、空気圧力計１６が検出した酸化剤極１ａの空気圧力、バッテリコントローラ４３が検出したバッテリ４４の蓄電量が含まれる。

次いで、Ｓ０２において、コントローラ４５は、アイドルストップが許可されるか否かを判定する。アイドルストップ判定条件としては、例えば、車速が所定速度以下、アクセル開度が０、ブレーキ操作が行われれいること、要求出力が所定値以下、バッテリ蓄電量が所定値以上、という各条件が全て満たされたときにアイドルストップ許可されたと判定する。（無論、これらの条件の全ての組み合わせが必須ではなく、いずれかの条件判定でも良い。）
Ｓ０２の判定でアイドルストップ許可されたと判定したとき、Ｓ０３へ進む。アイドルストップ許可されないと判断したとき、何もせずにメインルーチンへリターンする。

Ｓ０３では、コントローラ４５は、水素調圧弁２３を閉止させて、燃料極１ｂへの新たな水素供給を停止させる。次いで、Ｓ０４において、コントローラ４５は、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力が所定圧力値を超えているか否かを判定する。水素圧力が所定圧力値を超えていれば、Ｓ０５へ進み、水素圧力が所定圧力値を超えていなければ、Ｓ０６へ進む。

Ｓ０５では、コントローラ４５は、負荷装置４０へ燃料電池本体１から電流を取り出して消費させることを指示して、メインルーチンへリターンする。これにより燃料極１ｂ及び水素循環経路２６内の水素が消費され、燃料極圧力が低下することになり、アイドルストップが可能となる。

Ｓ０６では、コントローラ４５は、負荷装置４０へ燃料電池本体１からの電流取出の停止を指示して、メインルーチンへリターンする。その後、メインルーチンから呼び出される図示しないアイドルストップの停止処理ルーチンにより、空気コンプレッサの停止、水素循環ポンプの停止等の処置が行われる。

尚、Ｓ０５において、バッテリ４４の空き容量に余裕がある場合、燃料電池本体１から取り出した電流を負荷装置４０で消費することなく、バッテリコントローラ４３を介してバッテリ４４へ充電してもよい。これにより減圧操作における消費燃料を無駄なく利用し、燃料電池システムの燃費性能を更に向上させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、水素循環ポンプ２４と空気コンプレッサ１１との少なくとも一方の回転速度を増加させることにより電流消費させて、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる点に特徴がある。本実施例によれば、負荷装置で電流消費ができない場合にも電流消費による減圧操作を行うことができ、アイドルストップの頻度を向上させ、燃料電池の燃費性能を向上させることができるという効果がある。

図４は、実施例２におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図４のＳ０１からＳ０４までの処理内容は、図３に示した実施例１と同様である。Ｓ０４において、コントローラ４５は、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力が所定圧力値を超えているか否かを判定する。水素圧力が所定圧力値を超えていれば、Ｓ０５へ進み、水素圧力が所定圧力値を超えていなければ、Ｓ０６へ進む。

Ｓ０５では、コントローラ４５は、水素循環ポンプ２４と空気コンプレッサ１１との少なくとも一方の回転数を増加させることにより、燃料電池本体１から電流を取り出して消費させることを指示して、メインルーチンへリターンする。これにより燃料極１ｂ及び水素循環経路内の水素が消費され、燃料極圧力が低下することになる。Ｓ０６では、コントローラ４５は、燃料電池本体１からの電流取出の停止を指示して、メインルーチンへリターンする。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる減圧操作を燃料電池からの電流取出により行う際に、減圧しない極である酸化剤極の目標ガス供給量を取出電流に応じた供給量以上とする点に特徴がある。本実施例によれば、減圧操作しない方の極に反応ガスを十分供給することができ、反応ガス不足による燃料電池本体の劣化を防止することができるという効果がある。

図５は、実施例３におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図５のＳ０１からＳ０４までの処理内容は、図３に示した実施例１と同様である。Ｓ０４において、コントローラ４５は、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力が所定圧力値を超えているか否かを判定する。水素圧力が所定圧力値を超えていれば、Ｓ０５へ進み、水素圧力が所定圧力値を超えていなければ、Ｓ０６へ進む。Ｓ０６では、燃料電池からの電流取り出しを終了して、メインルーチンへリターンする。

Ｓ０５では、コントローラ４５は、負荷装置４０へ燃料電池本体１から電流を取り出して消費させることを指示する。これにより燃料極１ｂ及び水素循環経路内の水素が消費され、燃料極圧力が低下することになる。次いで、Ｓ０７で空気コンプレッサ１１の回転数が所定回転数未満であるか否かを判定する。この所定回転数とは、Ｓ０５で燃料電池から電流取り出しを指示した電流値に対応する空気流量を供給可能な回転数である。

Ｓ０７の判定で、空気コンプレッサ１１の回転数が所定回転数未満でなければ（所定回転数以上であれば）、取り出し電流に対応した空気流量が供給されているとして、Ｓ１０へ進む。Ｓ０７の判定で、空気コンプレッサ１１の回転数が所定回転数未満であれば、Ｓ０８へ進む。Ｓ０８では、水素循環ポンプ２４の回転数が所定回転数未満であるか否かを判定する。この所定回転数とは、Ｓ０５で燃料電池から電流取り出しを指示した電流値に対応する水素循環流量を供給可能な回転数である。

Ｓ０８の判定で、水素循環ポンプ２４の回転数が所定回転数未満であれば、Ｓ０９へ進む。Ｓ０８の判定で、水素循環ポンプ２４の回転数が所定回転数未満でなければ（所定回転数以上であれば）、Ｓ１０へ進む。

Ｓ０９では、燃料電池本体１からの取出電流を増加させるとともに、水素循環ポンプ２４の回転数を上昇させ、空気コンプレッサ１１の回転数を上昇させて、メインルーチンへリターンする。これにより、燃料電池本体１への空気供給量が増加し、減圧操作しない方の極には十分ガスが供給され、減圧操作時の供給ガス不足による劣化を生じさせることがない。

Ｓ１０では、燃料電池本体１からの取出電流を維持（固定）させるとともに、水素循環ポンプ２４の回転数及び空気コンプレッサ１１の回転数を維持（固定）させて、メインルーチンへリターンする。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４のシステム構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるが、図１には図示されない窒素濃度検出手段を燃料極１ｂまたは水素循環経路２６に備えている。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる減圧操作を燃料電池からの電流取出により行う際に、燃料極または水素循環経路（燃料循環路）内の窒素濃度を検出し、検出した窒素濃度が所定値以上であるときには、電流取出を制限するする点に特徴がある。本実施例によれば、燃料極の窒素濃度が高い場合には、電流取り出しを行わないので、窒素濃度か高い状態でアイドルストップすることが無くなり、アイドルストップからの復帰時に、水素分圧の上昇が困難となって、燃料電池スタックを劣化させることが無くなる。

図６は、実施例４におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

まず、Ｓ０１において、コントローラ４５は、車両状態及び燃料電池システムの状態を読み込む。これらの状態には、車速センサが検出した車速、アクセルセンサが検出したアクセル操作量（アクセル開度）、ブレーキ操作状態か否かを示すブレーキスイッチ、燃料電池に対する要求出力、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力、空気圧力計１６が検出した酸化剤極１ａの空気圧力、窒素濃度検出手段が検出した窒素濃度が含まれる。

次いで、Ｓ０２において、コントローラ４５は、アイドルストップが許可されるか否かを判定する。アイドルストップ判定条件としては、例えば、車速が所定速度以下、アクセル開度が０、ブレーキ操作が行われれいること、要求出力が所定値以下、という各条件が全て満たされたとにアイドルストップ許可されたと判定する。

Ｓ０２の判定でアイドルストップ許可されたと判定したとき、Ｓ０３へ進む。アイドルストップ許可されないと判断したとき、何もせずにメインルーチンへリターンする。

Ｓ０３では、コントローラ４５は、水素調圧弁２３を閉止させて、燃料極１ｂへの新たな水素供給を停止させる。次いで、Ｓ０４において、コントローラ４５は、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力が所定圧力値を超えているか否かを判定する。水素圧力が所定圧力値を超えていれば、Ｓ０５へ進み、水素圧力が所定圧力値を超えていなければ、Ｓ０６へ進む。

Ｓ０５では、コントローラ４５は、窒素濃度検出手段が検出した燃料極１ｂまたは水素循環経路２４の窒素濃度が所定濃度未満であるか否かを判定する。窒素濃度が所定濃度未満であれば、Ｓ０７へ進み、窒素濃度が所定濃度未満でなければ（所定濃度以上であれば）、Ｓ０６へ進む。

Ｓ０７では、コントローラ４５は、負荷装置４０へ燃料電池本体１から電流を取り出して消費させることを指示して、メインルーチンへリターンする。これにより燃料極１ｂ及び水素循環経路内の水素が消費され、燃料極圧力が低下することになる。Ｓ０６では、コントローラ４５は、負荷装置４０へ燃料電池本体１からの電流取出の停止を指示して、メインルーチンへリターンする。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる減圧操作を水素排出弁（パージ弁）を開いて行うことに特徴がある。

図７は、実施例５におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

まず、Ｓ０１において、コントローラ４５は、車両状態及び燃料電池システムの状態を読み込む。これらの状態には、車速センサが検出した車速、アクセルセンサが検出したアクセル操作量（アクセル開度）、ブレーキ操作状態か否かを示すブレーキスイッチ、燃料電池に対する要求出力、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力、空気圧力計１６が検出した酸化剤極１ａの空気圧力が含まれる。

次いで、Ｓ０２において、コントローラ４５は、アイドルストップが許可されるか否かを判定する。アイドルストップ判定条件としては、例えば、車速が所定速度以下、アクセル開度が０、ブレーキ操作が行われれいること、要求出力が所定値以下、という各条件が全て満たされたとにアイドルストップ許可されたと判定する。

Ｓ０２の判定でアイドルストップ許可されたと判定したとき、Ｓ０３へ進む。アイドルストップ許可されないと判断したとき、何もせずにメインルーチンへリターンする。

Ｓ０３では、コントローラ４５は、水素調圧弁２３を閉止させて、燃料極１ｂへの新たな水素供給を停止させる。次いで、Ｓ０４において、コントローラ４５は、水素圧力計２９が検出した燃料極１ｂの水素圧力が所定圧力値を超えているか否かを判定する。水素圧力が所定圧力値を超えていれば、Ｓ０５へ進み、水素圧力が所定圧力値を超えていなければ、Ｓ０６へ進む。

Ｓ０５では、コントローラ４５は、水素排出弁２８を開いて、水素排気経路２７から燃料極１ｂ及び水素循環経路２６内の水素を系外へ排出させるパージを実行することにより、水素圧力を低下させて、メインルーチンへリターンする。これにより燃料極１ｂ及び水素循環経路内の水素圧力が低下することになる。Ｓ０６では、コントローラ４５は、パージを終了するために、水素排出弁２８の閉止を指示して、メインルーチンへリターンする。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例６を説明する。実施例６のシステム構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるが、水素排出弁２８の下流に空気コンプレッサ１１が供給する空気流量で排出水素を希釈する燃料ガス希釈手段を備えている。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる減圧操作を水素排出弁（パージ弁）を開いて行う際に、水素排出弁から排出する水素流量を制限して、希釈空気流量で所定濃度（水素の燃焼下限界濃度）未満となるように希釈することに特徴がある。

図８は、実施例６におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図８のＳ０１からＳ０６までの処理内容は、図７に示した実施例５と同様である。本実施例では、図７のＳ０５のステップに続いて、Ｓ０７からＳ１０のステップが追加されている。Ｓ０５で、コントローラ４５は、水素排出弁２８を開いて、水素排気経路２７から燃料極１ｂ及び水素循環経路２６内の水素を系外へ排出させるパージを実行することにより、水素圧力を低下させて、Ｓ０７へ進む。

Ｓ０７では、パージ実行により排出される水素を希釈する希釈空気流量が所定流量を超えているか否かを判定する。この空気流量の検出には、空気コンプレッサ１１の下流に流量センサを設けてもよいし、空気コンプレッサ１１の回転速度から空気流量を推定してもよい。Ｓ０７の判定で用いる所定流量は、水素排出弁２８から排出される水素流量を水素の燃焼下限界濃度未満に希釈する空気流量である。

Ｓ０７の判定で、希釈空気流量が所定流量を超えていれば、Ｓ０８へ進み、そうでなければ、Ｓ１０へ進む。Ｓ０８では、空気コンプレッサ１１の回転数が所定回転数未満であるか否かを判定する。空気コンプレッサの回転数が所定回転数未満であれば、Ｓ０９へ進み、そうでなければ、Ｓ１０へ進む。

Ｓ０９では、水素排出弁２８からの排出流量であるパージ流量を増量して、メインルーチンへリターンする。Ｓ０９では、同パージ流量を減量して、メインルーチンへリターンする。これにより、燃料極の減圧操作時に、安全性を十分確保することができる。

本実施例における水素排出弁２８のパージ流量変化の方法として、例えば、次に示す３通りの方法がある。

（１）周期的に水素排出弁２８を開き、そのうちの水素排出弁２８を開いている時間率を変化させることによりパージ流量を変化させる。

（２）水素排出弁２８として、オリフィス径の異なる複数の水素排出弁を備え、開弁する水素排出弁を切り換えることによりパージ流量を変化させる。

（３）水素排出弁２８として、開度変化可能な弁を備え、その開度を制御することによりパージ流量を変化させる。

これら３通りのパージ流量調整により、燃料極圧力の減圧操作時に必要量以上の水素を放出することが無くなり、無駄に燃料を消費することがない。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例７を説明する。実施例７のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例は、アイドルストップが許可されたときに、燃料極の水素圧力を所定圧力値以下に低下させる減圧操作を、燃料電池から電流取り出しにより行うことと、水素排出弁（パージ弁）を開いて行うことを併用する点に特徴がある。本実施例によれば、電流取出操作とパージ操作とを併用して減圧操作を行うことができるので、所望の圧力まで短時間で減圧することができるという効果がある。

図９は、実施例７におけるコントローラ４５の作用を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定の制御周期、例えば、１００[ms]毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図９のＳ０１からＳ０４までの処理内容は、図３に示した実施例１と同様である。本実施例では、Ｓ０４の判定で、水素圧力が所定圧力を超えていた場合、Ｓ０５へ進み、そうでなければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。

Ｓ０５では、燃料電池からの電流取り出し（電流消費）が許可されたか否かを判定する。例えば、負荷装置４０で電流消費が可能な場合、或いは、バッテリ４４が充電可能な場合には、燃料電池本体１から電流取り出しが許可されると判断し、負荷装置４０で電流消費できず、バッテリ４４が充電可能でない場合には、電流消費が許可されないと判定する。Ｓ０５で電流消費が許可されたと判定したときは、Ｓ０６へ進み電流消費して、Ｓ０８へ進む。Ｓ０５で電流消費が許可されないと判定したときには、Ｓ０７へ進み電流消費を終了させ、Ｓ０８へ進む。

Ｓ０８では、パージ操作が許可されたか否かを判定する。例えば、空気コンプレッサ１１が送り出す空気流量で水素排出弁２８から排出される水素が燃焼下限界濃度未満まで希釈できないときには、パージ操作が許可されないと判定する。

Ｓ０８でパージ操作が許可されたと判定したときには、Ｓ０９へ進み、水素排出弁２８を開いてパージ操作を実行し、メインルーチンへリターンする。Ｓ０８でパージ操作が許可されないと判定したときには、Ｓ１０へ進み、水素排出弁２８を閉じてパージを終了してメインルーチンへリターンする。

以上、好ましい実施例を説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、空気圧力以外のアイドルストップ許可条件が成立した場合に、空気コンプレッサからの空気供給を停止して、水素供給を継続しながら、酸化剤極の減圧操作を行うことも考えられる。また、減圧操作として、燃料極圧力と酸化剤極圧力を同時に低減するような構成も可能である。

本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。 燃料電池単セルの構造を説明する模式断面図である。 実施例１の制御フローチャートである。 実施例２の制御フローチャートである。 実施例３の制御フローチャートである。 実施例４の制御フローチャートである。 実施例５の制御フローチャートである。 実施例６の制御フローチャートである。 実施例７の制御フローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池本体
１ａ…酸化剤極
１ｂ…燃料極
１１…空気コンプレッサ
１３…空気系加湿装置
１５…空気調圧弁
２１…高圧水素タンク
２３…水素調圧弁
２４…水素循環ポンプ
２５…水素系加湿装置
２６…水素循環路
２８…水素排出弁
４０…負荷装置
４３…バッテリコントローラ
４４…バッテリ
４５…コントローラ

Claims (13)

1. 燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、
   燃料極に供給された前記燃料ガスと酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
   燃料電池の低負荷時に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止させるアイドルストップ制御手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記アイドルストップ制御手段が前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を一時停止させる際に、前記燃料極における燃料ガス圧力と前記酸化剤極における酸化剤ガス圧力との少なくとも一方を所定の圧力以下に低下させる減圧操作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記減圧操作は、燃料電池からの電流取出操作により行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池の発電電力が不足する場合、燃料電池の負荷装置に電力供給する蓄電装置を備え、
   前記電流取出操作により取り出された電流を前記蓄電装置へ充電することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記減圧操作時に、減圧しない極の目標ガス供給量を取出電流に応じた供給量以上とすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 燃料極から排出された未反応燃料ガスを燃料極へ再循環させる燃料循環路及び燃料循環装置を備え、
   前記目標ガス供給量を供給する際に、前記燃料循環装置または前記酸化剤供給装置の動作制限に基づいて前記装置の指令電流を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料極または前記燃料循環路内の窒素濃度を検出する窒素濃度検出手段を備え、
   該窒素濃度検出手段が検出した窒素濃度が所定値以上であるときに、前記電流取出操作を制限することを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料極から排出された燃料ガスを系外へ排出する燃料ガス排出手段を備え、
   前記減圧操作は、前記燃料ガス排出手段により燃料ガスを系外へ排出するパージ操作により行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ガス排出手段より排出された燃料ガスを希釈する燃料ガス希釈手段を備え、
   前記パージ操作による排出量を前記燃料ガス希釈手段の希釈後の水素濃度が所定値未満となるように制限することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記パージ操作による排出量の制限は、前記燃料ガス排出手段の開閉繰り返し動作における開時間の比率を変化させて行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料ガス排出手段は、オリフィス径の異なる複数のパージ弁を備え、
    前記パージ操作による排出量の制限は、前記開弁するパージ弁を選択して行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料ガス排出手段は、開度の調整可能なパージ弁を備え、
    前記パージ操作による排出量の制限は、前記パージ弁の開度を変化させて行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料ガス希釈手段により所定値未満に希釈できない場合には、前記パージ操作を禁止することを特徴とする請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
13. 燃料極から排出された燃料ガスを系外へ排出する燃料ガス排出手段を備え、
    前記減圧操作は、燃料電池からの電流取出操作と、前記燃料ガス排出手段により燃料ガスを系外へ排出するパージ操作とを同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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